海洋所揭示黃海綠潮表面C波段電磁波的散射過程
近日,中國科學(xué)院海洋研究所人工智能海洋學(xué)研究組基于哨兵一號影像系統(tǒng)地分析了C波段電磁波與黃海漂浮狀態(tài)綠潮藻斑的散射過程。相關(guān)成果近日發(fā)表于地球科學(xué)和遙感領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing(SCI一區(qū),影響因子8.8)。
黃海綠潮自2007年爆發(fā)以來持續(xù)引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。因其覆蓋范圍大、位置變化快的特點,遙感成為綠潮監(jiān)測的主要手段。其中,光學(xué)遙感影像是監(jiān)測的主要工具,合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)起初被用作光學(xué)遙感影像在陰雨天氣的補充觀測,而伴隨星載SAR數(shù)據(jù)的普及和公開,SAR觀測的重要性逐步提升。現(xiàn)有研究根據(jù)同時段同地點的“光學(xué)-SAR(C波段)”觀測確定漂浮狀態(tài)的黃海綠潮藻斑較周圍海水更亮,為白亮的條狀、帶狀、斑點狀斑塊。以該結(jié)論為基礎(chǔ),大量基于C波段SAR影像的黃海綠潮藻斑提取模型被提出。然而,C波段電磁波與漂浮黃海綠潮表面的相互作用過程始終未得到詳細(xì)分析。
本研究以哨兵一號衛(wèi)星的電磁波頻率及觀測幾何為基礎(chǔ),構(gòu)建三層示意模型,分析C波段電磁波對綠潮藻斑的穿透能力。進(jìn)而使用極化度(Degree of Polarization,DoP)分析哨兵一號影像所得信號的極化特征,發(fā)現(xiàn)漂浮狀態(tài)綠潮藻斑的后向散射信號大部分為完全極化波,去極化過程弱,表明漂浮狀態(tài)綠潮藻斑表面與C波段電磁波的散射過程以表面散射為主。因此,本研究繼而通過求解極化橢圓的旋轉(zhuǎn)角(ψ)和極化角(χ),刻畫極化橢圓的形態(tài),發(fā)現(xiàn)大部分旋轉(zhuǎn)角和極化角都分布在0°附近,表明后向散射信號的極化方式與入射信號幾乎平行(ψ≈0°),且?guī)缀鯙榫€性極化的(χ≈0°)。因此,后向散射信號中完全極化的部分,為單次反射主導(dǎo)過程;少量去極化部分由多次散射過程產(chǎn)生。

圖1?DoP分析(第一列:4個感興趣區(qū)DoP的分布,第二列:DoP紅色虛線處的剖面,綠色陰影:綠潮藻斑的位置)
此外,為驗證所得結(jié)論的普適性,本研究以綠潮大爆發(fā)年份2019年為例,選取綠潮初始、爆發(fā)、消亡三個時段的哨兵一號觀測,分析后向散射信號的去極化狀態(tài)及極化橢圓的形態(tài),發(fā)現(xiàn)上述結(jié)論依然適用,即,漂浮狀態(tài)黃海綠潮藻斑的主導(dǎo)后向散射過程不受綠潮發(fā)展階段的影響。

圖2 綠潮初始、爆發(fā)、消亡階段的DoP、χ-ψ分布
[(a)(d):初始階段,(b)(e):爆發(fā)階段,(c)(f):消亡階段]
該論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生郭媛,通訊作者為李曉峰研究員,合作者還包括Sapienza University of Rome的Ferdinando Nunziata教授,University of Naples,Parthenope的Andrea Buono和Maurizio Migliaccio教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目、青島市科技惠民示范專項和國家自然科學(xué)青年基金等的聯(lián)合資助。
論文信息:
Y. Guo,?F. Nunziata,?A. Buono,?M. Migliaccio and X. Li*,?Dual-Polarimetric Sentinel-1 SAR Backscattering Features From Green Macroalgae Floating in the Coastal Ocean,?in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol. 63,?pp. 1-15?,2025,?Art no. 4209015,?doi: 10.1109/TGRS.2025.3587819.
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